10 kvant sanningar om vårt universum

Från det ögonblick som det upptäcktes att de makroskopiska, klassiska reglerna som dikterade elektricitet, magnetism och ljus inte nödvändigtvis gällde de subatomära skalorna, blev en helt ny syn på universum öppen för mänskligheten. Denna kvantbild är mycket större och heltäckande än vad de flesta förstår, inklusive många specialister. Här är tio grunder för kvantmekanik som kan få dig att undersöka hur du föreställer vårt universum, i minsta skala och bortom. Kolla in dessa coola kvant sanningar om vårt universum:

10 Schrödingers katt är antingen död eller levande, inte båda

För att börja med den här listan över kvant sanningar om vårt universum, låt oss börja med att informera dig om att den inte var väl förstådd under kvantmekanikens tidiga dagar, men kvantfunktionen hos makroskopiska objekt försvinner mycket snabbt. Denna ”dekoherens” beror på upprepade interaktioner med miljön som på måttligt varma och kompakta platser som de som behövs för livet är omöjliga att undvika. Detta visar att det vi betraktar som en mätning inte kräver en människa; bara interagera med miljön räknas. Det visar också varför det är väldigt svårt att ta stora föremål i superposition av två olika tillstånd och superpositionen bleknar snabbt.

Det tunga föremålet som hittills har överförts till platser är en kol-60-molekyl medan de mest pretentiösa har föreslagit att göra detta test för virus eller till och med tyngre varelser som bakterier. Således har paradoxen som Schrödingers katt en gång tog upp – överföringen av en kvant superposition (den förfallna atomen) till ett stort föremål (katten) lösts. Vi förstår nu att även om små saker som atomer kan existera i superposition under långa tidsperioder, skulle ett stort objekt sätta sig mycket snabbt i ett visst tillstånd. Därför observerar vi aldrig katter som är både döda och levande.

9 Men de styr de små skalorna

I kvantmekanik är varje partikel också en våg och varje våg är också en partikel. Slutsatserna från kvantmekaniken blir mycket uppenbara när man observerar en partikel på avstånd som liknar tillhörande våglängd. Det är därför som atom- och subatomär fysik inte kan förklaras utan kvantmekanik, medan planetbanor definitivt är oförändrade av kvantverkan.

8 Kvantpåverkan är inte nödvändigtvis små

Vi ser vanligtvis inte kvanteffekter på långa avstånd eftersom de nödvändiga korrelationerna är mycket ömtåliga. Behandla dem dock noggrant, och kvanteffekter kan fortsätta långa avstånd. Fotoner har till exempel blivit intrasslade över uppdelningar så mycket som några hundra kilometer. I Bose-Einstein-kondensat har ett degenererat materietillstånd uppnåtts vid kalla temperaturer, upp till några miljoner atomer har inducerats i ett sammanhängande kvanttillstånd. Och slutligen accepterar vissa forskare till och med att mörk materia kan ha kvantpåverkan som spänner över hela galaxer.

7 Det handlar om osäkerhet

Kvantmekanikens grundläggande postulat är att det finns synliga par som inte kan mätas samtidigt, som till exempel partikelns position och momentum. Kvant sanningarna om vårt universum är att par heter ”konjugerade variabler” och omöjligheten att mäta båda deras värden exakt är det som gör all skillnad mellan en kvantiserad och en icke-kvantiserad teori. I kvantmekanik är denna teori grundläggande, inte på grund av experimentella brister. En av de mest konstiga manifestationerna av detta är osäkerheten om energi och tid, vilket antyder att instabila partiklar har naturligt osäkra massor, tack vare Einsteins E = mc2.

6 Einstein motbevisade det inte

Tvärtemot den allmänna opinionen var Einstein inte en kvantmekanikfaktor. Han kunde nog inte vara det – teorin var först så framgångsrik att ingen seriös specialist kunde avfärda den. I själva verket var det hans nobelvinnande upptäckt av den fotoelektriska påverkan, vilket bevisade att fotoner uppförde sig som partiklar såväl som vågor som var en av de viktigaste uppenbarelserna inom kvantmekaniken. Einstein bestred istället att teorin var ofullständig och trodde att kvantprocessernas naturliga slumpmässighet måste ha en djupgående förklaring. Det var inte så att han trodde att slumpmässigheten var fel, han trodde bara att detta inte var slut på historien. För en utmärkt redogörelse för Einsteins syn på kvantmekanik, rekommenderar jag George Mussers artikel ”Vad Einstein verkligen tänkte om kvantmekanik”.

5 Kvantfysik Ett intensivt forskningsfält

Teorin började för mer än ett sekel sedan. Men många synpunkter på det blev testbara endast med modern teknik. Kvantoptik, kvantberäkning, kvanttermodynamik, kvantkryptografi, kvantinformation och kvantmetrologi har nyligen bildats och omedelbart mycket intensiva forskningsområden. Med de nya förmågorna som förvärvats med dessa teknologier har investeringar i grunden för kvantmekanik återinförts.

4 Det finns ingen konstig åtgärd på avstånd

Ingenstans i kvantmekanik skickas data någonsin icke-lokalt, så att den hoppar över ett utrymme utan att behöva gå igenom alla positioner däremellan. Entanglement är i sig själv icke-lokalt, men det gör ingen åtgärd – det är en förening som inte är kopplad till den icke-lokala informationsförändringen eller någon annan synlig. När du förstår en forskning där två intrasslade fotoner är åtskilda av ett stort avstånd och sedan mätningen av var och en mäts, överförs inga data snabbare än ljusets hastighet. I själva verket, om du försöker sammanföra resultaten av två observationer, kan dessa data bara färdas med ljusets hastighet, inte snabbare! Vad som bildar ”information” var en stor källa till osäkerhet under kvantmekanikens tidiga dagar, men vi vet idag att teorin kan passa perfekt medEinsteins speciella relativitetsteori där data inte kan flyttas snabbare än ljusets hastighet. Det är en av de viktigaste kvant sanningarna om vårt universum.

3 Intrassling inte identiskt som superposition

En kvantsuperposition är kapaciteten hos ett system att vara i två distinkta tillstånd samtidigt, och ändå, när man mäter, hittar man ständigt ett visst tillstånd och aldrig en superposition. Förtrassling är å andra sidan en koppling mellan två eller flera delar av ett system – något helt annat. Superposition är inte grundläggande: om ett tillstånd är eller inte är en superposition beror på vad du behöver mäta. Ett tillstånd kan till exempel befinna sig i en superposition av positioner och inte i en superposition av ögonblick – så hela konceptet är vagt. Förtrassling är å andra sidan entydig: det är en grundläggande egenskap hos varje system och det mest kända måttet på ett systems kvantitet.

2 Kvantisering innebär inte säkert diskretitet

”Quanta” är diskreta partiklar, per definition, men inte allt blir tjockt eller oskiljaktigt på korta skalor. Kvant sanningarna om vårt universum är att elektromagnetiska vågor består av kvantiteter som kallas ”fotoner”, så vågorna kan betraktas som diskretiserade. Och elektronskal runt atomkärnan kan bara ha tydliga diskreta radier. Men andra partikelegenskaper blir inte diskreta även i en kvantteori. Tillståndet för elektroner i metallens ledande band är till exempel inte diskret – elektronen kan fylla vilken kontinuerlig position som helst i bandet.

1 Allt är kvantitet

Nu vet vi att vissa saker är kvantmekaniska och andra inte. Allt följer samma kvantmekaniklagar – det är bara att kvanteffekter av stora föremål är mycket svåra att se. Det var därför som kvantmekanik var en efterföljare för utvecklingen av teoretisk fysik: det var inte förrän fysiker var tvungna att motivera varför elektroner sitter på skal runt atomkärnan att kvantmekanik blev nödvändig för att göra exakta förutsägelser.

10 kvant sanningar om vårt universum

1. Allt är kvantitet
2. Kvantisering innebär inte säkert diskretitet
3. Intrassling inte det identiska som superposition
4. Det finns ingen konstig handling på avstånd
5. Kvantfysik Ett intensivt forskningsfält
6. Einstein motbevisade det inte
7. Det handlar om osäkerhet
8. Kvantpåverkan är inte nödvändigtvis liten
9. Men de styr de små skalorna
10. Schrödingers katt är antingen död eller levande, inte båda

Skriven av: AC Claudia